Моделирование режимов систем тягового электроснабжения с нелинейными стационарными нагрузками

Цель исследований – разработка цифровых моделей систем тягового электроснабжения с нелинейной стационарной нагрузкой для определения несимметричных и несинусоидальных режимов. При их формировании применялись методы, основанные на использовании фазных координат и реализованные в программном комплексе Fazonord (версия 5.3.4.1–2024). В состав моделей входили следующие элементы: линии электропередачи 220 кВ, трансформаторы мощностью 40 МВ·А, тяговые сети 25 кВ двухпутных участков, преобразовательный агрегат, питающий систему электроснабжения промышленного транспорта. На основе разработанных моделей определены несимметричные и несинусоидальные режимы при движении поездов по рассматриваемому участку магистральной железной дороги. Показано, что за счет нелинейной стационарной нагрузки, создаваемой шестипульсным преобразователем, коэффициенты гармоник на вводах 10 и 220 кВ тяговой подстанции, питающей выпрямитель, увеличиваются и на шинах 10 кВ превышают 25%. Это следует учитывать при выборе средств снижения гармонических искажений. Показано, что для уменьшения уровней гармоник можно использовать следующие средства: пассивные фильтры, активные кондиционеры, электроподвижной состав нового поколения с четырехквадрантными преобразователями. Установлено, что максимумы коэффициентов несимметрии на шинах 10 кВ тяговых подстанций лежат в диапазоне 4,8…9%. Ввод этих показателей в допустимую область возможно осуществить путем применения пофазно управляемых источников реактивной мощности или симметрирующих трансформаторов. Таким образом, представленные модели дают возможность адекватно определять все параметры режима системы электроснабжения железной дороги переменного тока при наличии стационарных нагрузок с нелинейными вольтамперными характеристиками. Разработанная методика является универсальной и может использоваться для расчета режимов питающих и тяговых сетей различной структуры и конструктивного исполнения.

1. Бочарников Ю.В. Моделирование системы тягового электроснабжения для оценки электромагнитной совместимости со смежными системами // Технологии электромагнитной совместимости. 2008. № 1. С. 45–55. EDN: TEECDR.

2. Баранов И.А., Агунов А.В. Моделирование процессов компенсации реактивной мощности в системе тягового электроснабжения с помощью Matlab-Simulink // Интеллектуальные технологии на транспорте. 2021. № 2. С. 5–12. EDN: IRFFJT.

3. Константинова Ю.А., Ли В.Н., Константинов А.М. Имитационное моделирование транзита электроэнергии из системы внешнего электроснабжения по тяговой сети переменного тока // Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. 2019. № 4. С. 70–76. EDN: AHXFBO.

4. Гаранин М.А., Блинкова С.А. Моделирование системы тягового электроснабжения с использованием накопителей энергии // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2023. № 2. С. 85–90. https://doi.org/10.46973/0201-727X_2023_2_85. EDN: TUOYML.

5. Гаранин М.А., Бошкарева Т.В., Фроленков С.А. Моделирование системы тягового электроснабжения переменного тока для пропуска поездов повышенной массы // Вестник транспорта Поволжья. 2016. № 5. С. 22–27. EDN: XDCFQF.

6. Zemskiy D.R., Sychenko V.G., Bosyi D.O. Simulation of the parallel operation of external and railway ac traction power supply system taking into account unbalanced conditions // Technical Electrodynamics. 2020. No. 2. С. 74–85. https://doi.org/10.15407/techned2020.02.074. EDN: SHVTVO.

7. Комяков А.А., Комякова Т.В., Шкулов А.И. Применение вероятностного подхода для формирования графика электротяговой нагрузки при имитационном моделировании системы тягового электроснабжения // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2023. № 4. С. 184–192. https://doi.org/10.46973/0201727X_2023_4_184. EDN: JLRHET.

8. Костин А.П., Пинчуков П.С. Анализ программного обеспечения для моделирования аварийных режимов в системе тягового электроснабжения // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: труды Всерос. науч.-практ. конф. творческой молодежи с междунар. участием (г. Хабаровск, 18–21 апреля 2023 г.). Хабаровск: ДВГУПС, 2023. Т. 2. С. 23–28.

9. Косарев А.Б., Рудашевский Р.А., Рудашевская А.В., Смолин П.И., Ребров И.А. Определение пропускной способности и моделирование режимов работы систем тягового электроснабжения // Наука и образование транспорту. 2021. № 2. С. 21–26. EDN: QVSYUW.

10. Загорский В.А., Пакулин А.Г., Путько В.Ф. Моделирование системы тягового электроснабжения переменного тока // Вестник транспорта Поволжья. 2012. № 3. С. 11–15. EDN: PJZELP.

11. Быкадоров А.Л., Жуков А.В. Математическое моделирование динамики электрических процессов в системе тягового электроснабжения // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2010. № 3. С. 141–145. EDN: MVCDBZ.

12. Рудашевский Р.А., Рудашевская А.В., Смолин П.И., Ребров И.А., Крылов А.А. Совершенствование автоматизированных средств определения режимов работы и расчета параметров системы тягового электроснабжения // Наука и образование транспорту. 2021. № 2. С. 66–69. EDN: TWNCGM.

13. Серебряков А.С., Герман Л.А., Осокин В.Л., Субханвердиев К.С. Совместный расчет систем тягового и внешнего электроснабжения для режимов тяговой нагрузки и короткого замыкания // Электроника и электрооборудование транспорта. 2018. № 3. С. 6–12. EDN: XZROUX.

14. Пинчуков П.С., Макашева С.И. Амплитудно-частотный спектр тока как инструмент идентификации режима работы системы тягового электроснабжения // Электротехника. 2023. № 9. С. 61–67.

15. Пинчуков П.С., Макашева С.И. Моделирование режимов системы тягового электроснабжения с оценкой эффективности работы защиты // Транспорт Азиатско-Тихоокеанского региона. 2022. № 2. С. 58–64.

16. Khudonogov I.A., Puzinа E.Yu. Assessment of the repair modes impact on the system of external power supply system on throughput capacity of traction power supply system // International Russian Automation Conference, RusAutoCon 2021 (Sochi, 5–11 September 2021). Sochi: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2021. Р. 503–508. https://doi.org/10.1109/RusAutoCon52004.2021.9537316. EDN: ALYPWS.

17. Yang Hongjun, Du Xiong, Chen Bin, Cao Yuelong, Zheng Lianqing, Wang Heng. The influence of electrified railway traction power supply system on the power quality of regional power grid // IEEE International Conference on Sensors, Electronics and Computer Engineering. 2023. https://doi.org/10.1109/ICSECE58870.2023.10263369.

18. Aoyang Han, Litao Yu, Li Wang, Xu Jia, Wenhui Sun, Yunfan Bi. Research on the influence of urban metro traction power supply system on power grid harmonics // First International Conference on Electronics Instrumentation & Information Systems. 2017. https://doi.org/10.1109/EIIS.2017.8298567.

19. Xishan Yu. General mathematical model of ac traction power supply system simulation based on mathematical reasoning and its application research // IEEE International Conference on Artificial Intelligence and Information Systems. 2020. https://doi.org/10.1109/ICAIIS49377.2020.9194938.

20. Zhao Yan, Dai Ning Yi, An Bao. Application of three-phase modular multilevel converter (MMC) in co-phase traction power supply system // IEEE Conference and Expo Transportation Electrification Asia-Pacific. 2014. https://doi.org/10.1109/ITEC-AP.2014.6941064.

21. Peng Qi, Piao Zhengguo, Lu Yuhao, Li Chen. Analysis of operation data of traction power supply system of highspeed railway // International Conference on Information Science, Parallel and Distributed Systems. 2021. https://doi.org/10.1109/ISPDS54097.2021.00027.

22. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесимметричные режимы электрических систем: монография. Иркутск: ИРГУПС, 2005. 273 с. EDN: PTVITA.

23. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование систем тягового электроснабжения постоянного тока на основе фазных координат: монография. М.: Директ-Медиа, 2023. 156 с.

24. Крюков А.В., Суслов К.В., Черепанов А.В., Нгуен Куок Хиеу. Моделирование режимов электрических сетей, питающих тяговые подстанции постоянного тока // Энергетик. 2024. № 2. С. 9–13. EDN: ENWOEH.

25. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Авдиенко И.М. Моделирование систем тягового электроснабжения, оснащенных симметрирующими трансформаторами. М.; Берлин: Директ-Медиа, 2017. 168 с.

26. Арсентьев Г.О., Булатов Ю.Н., Крюков А.В. Управление режимами систем электроснабжения железных дорог на основе технологий интеллектуальных сетей (Smart Grid): монография. Иркутск: ИрГУПС, 2019. 412 с. EDN: MXYZNT.

27. Kryukov A.V., Cherepanov A.V., Shafikov A.R. Modeling non-sinusoidal modes in electrical networks supplying power to traction substations for electromotives operation with four-quadrant converters // International Ural Conference on Electrical Power Engineering (Chelyabinsk, 1–3 October 2019). Chelyabinsk: IEEE, 2019. P. 394–398. https://doi.org/10.1109/URALCON.2019.8877644.